DE2049882A1

DE2049882A1 - Rotationskolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2049882A1
Application number: DE19702049882
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Hofbauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1970-10-10
Filing date: 1970-10-10
Publication date: 1972-04-13
Also published as: US3754535A

Description

VOLKSWAGENWERK Aktiengesellschaft

Unsere Zeichen: K 1005
9704-Kah/Ja

Rotationskolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einem im Querschnitt trochoidenförmigen Kolben und einem in Kämmeingriff mit diesem stehenden Mantel, dessen innere Mantelfläche im Querschnitt die Form einer Hüllkurve einer Trochoide hat und Gehäusebogen bildet, in denen Brennräume als Vertiefungen vorgesehen sind.

Es ist bei Kreiskolbenbrennkraftmasehinen der oben genannten Art bekannt, Brennräume außermittig als Vertiefungen in den Gehäusebogen anzuordnen. Eine entsprechende Brennraumgestaltung wird in der deutschen Offenlegungsschrift 1 576 202 und besonders in der deutschen Offenlegungsschrift 1 576 203 beschrieben.

Sinn der Anordnung gemäß der Offenlegungsschrift 1 576 203 soll sein, die Verbrennung durch geregelte Luftbewegung z.u verbessern. Zu diesem Zweck mündet der Einlaßkanal, in Drehrichtung des Kolbens gesehen, nach vorn gerichtet in den Brennraum; dadurch soll erreicht werden, daß nach dem Aufsteuern der Einlaßsteueröffnung das Frischgas zunächst tangential in die querverlaufende Mulde eintritt und nach weiterer Drehung des Kolbens unter einem flachen Winkel die Randzone der in der Brennraummulde kreisenden Luft anregt iind den ausgebildeten Wirbel verstärkt, dessen Achse im wesentlichen parallel zur Masohinenachse liogt. Dieser Effekt soll durch die Verlagerung des Brennraumes, in Drehrichtung des Kolbens gesehen, in die hintere Hälfte dee TTmfangbogerts des Kanteis, also in den Teil des Mantels, äei vom Kolben zuletzt überstrichen wird, noch verstärkt werden, Bei diesem Systeci der Drallerzeugung üii::d aber die Kanäle iff Kolben für den Liefergrad nachteilig ausgeführt, denn dadurch, daß die Einlaßkanäle in Drehri<*,htung des KoI-

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"bens gesehen nach vorne in den Brennraum einmünden, werden geringe Durchsätze und hohe Strömungsversluste in Kauf genommen, um dadurch eine große kinetische Energie zu erreichen, die aber zum Zündzeitpunkt bereits auf I/4 des ursprünglichen Wertes abgesunken ist. Aber was sich für die Verbrennung noch ungünstiger auswirkt ist, daß besonders die feinballige Turbolenz wieder Verloren geht. Letzte Forschungsergebnisse, unter Berücksichtigung der Abgasemission, haben erneut die seit langem bekannte Tatsache bestätigt, daß die Ladungsbewegung des Gases, insbesondere die feinballige Turbulenz, einen entscheidenden Einfluß auf den Ablauf der Verbrennung hat.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, unmittelbar vor und während der Verbrennung einen heftigen Wirbel mit feinballiger Turbolenz zu erzeugen, ohne dabei den Liefergrad zu beeinträchtigen, also freie Gestaltung der Einlaßkanallage im Bezug a,uf Ladungsbewegung, so daß sie nur in Zielrichtung auf einen hohen Liefergrad gestaltet werden kann. Die Druckspitze bei der Verbrennung in der Brennkammer soll dem Kolben schon im oberen Totpunkt ein positives Drehmoment aufzwingen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Brennraum in der Hälfte des Gehäusebogens liegt, die bei der Relativbewegung zwischen Gehäuse und Kolben von diesem zuerst überstrichen wird. Der Einlaßkanal soll vorteilhafterweise, in Drehrichtung des Kolbens gesehen, nach hinten gerichtet in den Brennraum einmünden. Durch diese Ausbildung des Einlaßkanales wird ein hoher Liefergrad erreicht. Die Ladungsbewegung wird dann während des Kompressionsaktes in besonders günstiger Weise durch Verdrängungswirkung erzwungen. Der Teil des Kolbens, mit dem komprimiert wird, läuft zunächst vorwie-gend in den Teil des Gehäusebogens hinein, in dem sich der Brennraum befindet und bildet mit dem Gehäusebogen einen düsenartigen Eintritt zum Brennraue, während noch ein erheblicher Teil des Frischgases in dem anderen Teil komprimiert wird. Dieser Teil des JJrischgases wird durch die Anordnung des Brennraumes erst im letzten Teil der Kompression besonders heftig in den Brennraum geschoben und erzeugt dadurch sehr hohe Wirbelenergien, die wiederum eine extrem feinballige Turbolenz in der Nähe des Zündzeitpunktes bewirken.(Maximum der

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Wirbelenergie im Zündzeitpunkt).

Um die Turbolenz noch zu erhöhen, wird der Brennraum vorteilhafterweise walzenförmig mit einer parallel zur Exzenterwellenachse liegenden Achse ausgebildet. Der Brennraum ist wenigstens am vorderen Übergang zu dem Geshäusebogen mit einem kleinen Radius, der von der thermischen Belastbarkeit abhängt, ausgeführt, um die Düsenwirkung,.und damit die feinballige Turbolenz, beim Eintritt in den Brennraum noch zu erhöhen. Die Zündkerze ist etwa in der Achse des walzenförmigen Brennraumes angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll mit dem Brennraum dadurch eine Schichtladung realisiert werden,daß der Brennraum durch eine Einschnürung in eine Vorkammer und einen gegenüber dem vom Gehäusebogen umschlossen Arbeitsraum offenen Hauptbrennraum unterteilt ist. In die Vorkammer, in der die Zündkerze angeordnet ist, wird zusätzlich Kraftstoff eingespritzt. Der Hauptbrennraum bleibt also gegenüber dem Arbeitraum offen und wird über den Einlaßkanal im Kolben mit einem mageren Gemisch versorgt. Das Gemisch in ihm kann z.B. durch Fackelzündung aus der Vorkammer gezündet werden (innere Gemischbildung).In weiterer Vereinfachung ist auch die Vorkammer gegenüber dem Arbeitsraum offen ausgeführt.

Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß das Maximum der Wirbelenergie und die höchste feinballige Turbolenz in der Nähe des Zündzeitpunktes erreicht wird.

Die resultierende der Antriebskräfte unmittelbar nach der Zünddung wirkt bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Brennraumes am Kolbenmittelpunkt vorbei und bewirkt so bereits im oberen Totpunkt ein positives Drehmoment. Daraus folgt ein besserer Gleichförmigkeitsgrad und ein besserer Wirkungsgrad der Maschine.

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Im Gegensatz dazu ergibt sich bei der bekannten Anordnung des Brennraumes in der Mitte oder außermittig in Drehrichtung des Kolbens gesehen in der hinteren Hälfte des Gehäusebogens im oberen Totpunkt ein negatives Drehmoment.

Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß während der Verdichtung das relativ zur Kolbenfläche noch immer kältere Frischgas an heißen Zonen des Kolbens mit hoher Geschwindigkeit und damit hoher Wärmeübergangszahl vorbeistreift, kühlt damit den Kolben und trägt gleichzeitig zur fc Verbesserung des Gütegrades bei. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Maschine selbst bei Anwendung des Otto-Verfahrens ohne Weiteres möglich, da bei den extremen Wirbeln kein Klopfen zu befürchten ist. Im Gegensatz dazu laufen bei der bekannten Anordnung des Brennraumes die heißesten Teile der Kolbenmantelfläche, die in der Nähe vom oberen Totpunkt dem Brennraum gegenüberliegen, bereits im ersten Teil des Efcpansionshubes unter der nächsten Dichtleiste, die dadurch thermisch hoch beansprucht wird, in die nächste Kammer und tragen nicht mehr zur Kohlenwasserstoffcxydation bei.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine und überhaupt bei dieser Art von Maschinen ist der kinematisch bedingte Totraum sehr klein. w Diese Tatsache ermöglicht eine freizügige Wahl des Brennraumes insbesondere dann, wenn die Gasßteuerung durch Schlitze im Kolben erfolgt. Daraus ergibt sich im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Maschine der Vorteil, mit dem Brennraum eine Schichtladung zu realisieren. Mittels dieser Schichtladung kann die Abgasemision noch günstiger beeinflußt werden. Ebenfalls ist ohne Weiteres das Dieseiverfahren anwendbar, bei dem dann natürlich die Zündkerze wegfällt und durch die Einlaßschlitze im Kolben reine Luft zugeführt wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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Es zeigen:

Figur 1 einen Teilquerschnitt durch einen

Planetenläufermotor Ka 5s4 Figur 2 vergleicht die Wirbelenergien, einmal

bei bekannten Maschinen und einmal bei

der erfinderischen Maschine, Figur 3 biB
Figur 5 Ausführungsformen von Brennräumen zur

Realisierung einer Schichtladung.

In einem Motorgehäuse 1 läuft auf einer Exzenterwelle 2 ein Kolben 3 in der eingezeichneten Drehrichtung. Bas Gehäuse 1 hat im Querschnitt die Form der Hüllkurve einer Trochoide mit dem der im Querschnitt trochoidenförmige Kolben 3 im Kämmeingriff steht. Die Brennräume 5 sind walzenförmig ausgebildet und deren Achse liegt parallel zur Exzenterwellenachse. In der Achse des Brennraumes 5 ist eine Zündkerze 6 angeordnet, die aber auch senkrecht zu dieser Achse angeordnet sein kann.Die vordere Kante 7 ist abgerundet, die vordere Kante 8 des Brennraumes 5 ist möglichst scharfkantig ausgeführt. Der Arbeitsraum 9 wird einerseits von dem Gehäusebogen 4 und andererseits von radialen Dichtungen 10 begrenzt. Mit 11 ist die entgegen der Drehrichtung des Kolbens 3 verlaufenden Einlaß-Öffnung mit 12 die Auslaßöffnung gekennzeichnet. Es wäre auch möglich, um die Mündungi3 des Brennraumes 5 in den Arbeitsraum 9 "Vordichtungen 14 anzubringen, die den Zweck hätten, die Turbolenz beim Einschieben des Gases in den Brennraum noch zu erhöhen und das positive Drehmoment im oberen Totpunkt lange genug aufrecht zu erhalten.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist anhand der Skizze unschwer zu erkennen. Der Kolben liefert zunächst durch Anordnung der Einlaßöffnung 11 eine hohe Menge Frischgas. Die Ladungsbewegung wird dann während des weiteren Kompressionstaktes durch die Verdrängungswirkung des Kolbens 3 erzwungen. Der Teil

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des Kolbens, mit dem komprimiert wird, läuft zunächst überwiegend in den Teil des Arbeitsraumes 9» i*¹ cLem der Brennraum 5 angeordnet ist und bildet mit dem Gehäusebogen 4 einen düsenartigen Eintritt 15,verstärkt durch die vorde re scharfe Kante 8 zum Brennraum 5»während ein erheblicher Teil des Frischgases in dem Teil 20 des Arbeitsraumes 9 weiter komprimiert wird. Diese Frischgasmenge wird erst im letzten Teil der Kompression mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum 5 gepreßt und erzeugt dadurch im Augenblick der Zündung eine höchstfeinballige Turbulenz. Die Vordichtung 14 unterstützen dabei noch zusätzlich die Bestrebung, den Druck im Brennraum 5 länger aufrechtzuerhalten.

Figur 2 zeigt den Vergleich der Wirbelenergien, die durch ein Einlaßsystem der bekannten Maschinen und der erfindungsgemäßen Maschine durch den Kompressionstakt erzeugt wird. Auf der Abszisse ist der Kurbelwinkel vom oberen Totpunkt über den unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, auf der Ordinate ist die Energie aufgetragen. Die gestrichelte Linie 16 zeigt den Verlauf der Energie bei einer bekannten Maschine, woraus deutlich zu ersehen ist, daß die höchste Energie und somit die feinballige Turbulenz schon lange vor Erreichen des Zündzeitpunktes erreicht ist und danach sehr steil abfällt. Die Linie 17 zeigt den Verlauf der Wirbelenergie bei einer erfindungsgemäßen Ma-" schine. Die höchste kinetische Energie wird hierbei etwa am Punkt 18, der den Zündzeitpunkt darstellt, erreicht.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Brennräume zur Realisierung einer Schichtladung. Mit 6 sind jeweils die Zündkerzen gekennzeichnet, 19 kennzeichnet zusätzliche Einspritzöffnungen bzw. beim Dieselverfahren die Einspritzdüsen. 20 soll den Kraftstoff und 21 einen davon*

24/ abgezweigten Strahl darstellen. Die Einschnürung zwischen

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der Hauptbrennkammer und der Vorkammer 23 in Figur 4 ist so ausgebildet, daß der Strahl 21 gradlinig zur Zündkerze 6 führt.

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Mit 22 ist ein Seitenteil der Maschine angedeutet. Je nach dem wie die Maschine arbeiten soll, kann auf die Zündkerze oder auf die Einspritzöffnungen bzw.- düsen verzichtet werden.

Die großenmäßige Aufteilung der Vorkammer und des Hauptbrennraumes ist variabel und nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Abmessungen beschränkt.

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Claims

Ansprüche

1.yfootationskolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einem im Querschnitt trochoidenförmigen Kolben und einem in Kämmeingriff mit diesem stehenden Mantel, dessen innere Mantelfläche im Querschnitt die Form einer Hüllkurve einer Trochoide hat und Gehäusebogen bildet, in denen Brennräume als Vertiefungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennräume (5) in der Hälfte der einzelnen Gehäusebogen (4) liegen, die bei der Relativbewegung zwischen Gehäuse (1) und Kolben (3) von diesem zuerst überstrichen werden.

2. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5) walzenförmig mit einer parallel zur Exzenterwellenachse (2) liegenden Achse ausgebildet ist.

3. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5) am vorderen Übergang (8) zu dem Gehäusebogen (4) mit einem kleinen Radius ausgeführt ist.

4. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (6) etwa in der Achse des walzenförmigen Brennraumes (5) angeordnet ist.

5. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach einem den Ansprüchen bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5) durch eine Einschnürung in eine Vorkammer (23) und einen gegenüber dem vom Gehäusebogen (4) umschlossenen Arbeitsraum (9) offenen Hauptbrennraum unterteilt ist.

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6. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß auch die Vorkammer (25) gegenüber dem Arbeitsraum (9) offen ist.

7. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in oder in der Nähe der Einschnürung der Vorkammer (25) eine Zündkerze (6) angeordnet und ferner eine Einspritzdüse (19) vorgesehen ist, die eine Schichtung der Ladung realisiert.

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